Une des conséquences de la réduction des émissions de CO2 est la réduction de la taille des moteurs et donc des chambres de combustion. Ceci s'accompagne d'une probabilité accrue d'impact des gouttes issues du spray sur les parois de la chambre de combustion. Face à ce problème, deux solutions sont envisageables, soit éviter l'interaction avec les parois (réduire la pénétration du spray par exemple) ou créer des conditions d'interaction telles que le combustible concerné puisse brûler dans des conditions acceptables.
Dans le cadre de la deuxième perspective on peut envisager soit une combustion en proche paroi dont la dynamique sera pilotée par l'évaporation du liquide déposé, soit des conditions d'impact telles que la masse déposée soit pratiquement nulle, par une évaporation très rapide (augmentation des transferts de chaleur) ou par une re-pulvérisation du combustible impactant la paroi via la rugosité, la température de paroi ou la forme des aspérités de surface.
Dans le cadre du contrat européen DIME, des travaux de doctorat de R. Troegger en collaboration avec le FTZ de l'université de Zwickau, d'une collaboration avec C. Josserand et S. Zaleski du Laboratoire de Modélisation en Mécanique de Paris 6, et d'une collaboration avec I. Gökalp et C. Chauveau du Laboratoire de Combustion et Systèmes Réactifs du CNRS à Orléans, une série d'expériences a été imaginée et réalisée de façon à mettre en évidence différentes possibilités d'aboutir à une re-pulvérisation efficace des gouttes arrivant sur la paroi. Elle a donné lieu aux principales publications suivantes :
Josserand, C., Lemoyne, L., Troeger, R. & Zaleski, S. Droplet impact on a dry surface: triggering the splash with a small obstacle, Journal of fluid mechanics 524, 2005, 47 – 56
C. Morin, L. Le Moyne, C. Chauveau, I. Gökalp, Experimental and theoretical study of n-alkanes droplet vaporization. Application to droplets suspended and impacting on hot solid plates, 20th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS), Orléans, France, September 5-7, 2005.
Exemples de films d’impactage : goutte d’heptane à 300K, 400K et 600 K
Malheureusement, la sensibilité des caméras disponibles à l'heure actuelle ne permet pas une observation correcte de gouttes de taille comparable à celles retrouvées dans les chambres de combustion (dizaine de microns); aussi, les résultats des expériences réalisées (utilisant des gouttes de 1 à 3mm) ne peuvent pas être transposés à l'heure actuelle sur des applications directes, malgré le respect de conditions de similitude. Le principal facteur d'écart entre les expériences menées dans nos travaux - mais aussi par tous les chercheurs dans le domaine - et les conditions des chambres de combustion, réside dans les propriétés géométriques de la rugosité de paroi. En effet, les nombres de Reynolds et Weber peuvent être similaires sans que l'importance relative des aspérités soit respectée. A titre d'exemple, une surface dite "lisse" dans le cas macroscopique comporte des aspérités de l'ordre du micron d'amplitude. Pour une goutte de l'ordre du millimètre ces aspérités sont sûrement à négliger, (sauf peut être pendant les premières phases de l'étalement de la goutte sur la paroi), mais pour une goutte de l'ordre de la dizaine de microns, la rugosité à prendre en compte pour respecter un facteur de similitude n'est pas à portée de nombre de procédés de fabrication. Et quand bien même la similitude serait respectée, la morphologie des aspérités, qui joue certainement un rôle dans les transferts de chaleur, pourrait être extrêmement différente.
L'analyse que l'on doit donc faire des expériences menées doit être comprise comme une recherche de tendances pour l'application en chambre de combustion et une phase préliminaire pour l'étude de l'influence de la morphologie des aspérités.
Les expériences menées concernent différents paramètres de l'interaction pariétale :
Rugosité et matériaux de la paroi (Figure 38)
Température de paroi
Viscosité et tension superficielle du liquide (Figure 40)
Amplitude minimale d'une aspérité élémentaire pour l'éjection du liquide déposé (Figure 41)
Figure 38: Etalement de goutte sur surface lisse, effet de la rugosité : gauche: sans splash à We=480, Ra=0,7µm, droite : avec splash à We=250, Ra=2,1µm
Figure 39: Etalement de gouttes sur surfaces de rugosité différente
Figure 40: Diamètre d'étalement pour différents mélanges
Les effets de la rugosité, de la viscosité et de la tension superficielle, ainsi que du nombre de Weber, ont été étudiés par différents auteurs (Rioboo et al. [RIO/99]). L'objectif de nos expériences a été dans un premier temps de réaliser un modèle semi-empirique pour la prévision des diamètres d'étalement puis du nombre et de la vitesse des gouttes re-pulvérisées après impact. Une collaboration avec des collègues ayant la pratique des simulations numériques nous a alors semblé indispensable pour proposer un approfondissement des nombreux modèles parus dans la bibliographie en peu de temps (Han et al. [HAN/00]).
Le cas simple de la goutte en impact sur une paroi est déjà traité dans de nombreuses publications. Il demeure néanmoins traité de façon incomplète de notre point de vue sur deux aspects au moins, l'influence précise de la rugosité et la température.
Dans cet esprit, le création d'une rugosité "élémentaire" sous la forme d'une marche d'escalier nous a paru une forme originale d'aborder les effets de l'état de surface. Les résultats montrent qu'un obstacle de taille réduite (~ centième du diamètre de la goutte) peut avoir un effet important sur l'éjection de liquide déposé pendant l'étalement (Figure 41). Cette étude peut être poursuivie par le test de motifs géométriques de surface vis à vis de leur capacité à créer le genre de nappe observée sur nos expériences et sur les simulations menées par C. Josserand et S. Zaleski du LMM; taille, forme et espacement des aspérités peuvent être adaptés aux diamètres et vitesses des gouttes incidentes.
Une façon d'appréhender les possibilités de décollement du liquide déposé est de mesurer la quantité de mouvement dans la direction horizontale (// à la plaque). La Figure 42 montre les évolutions temporelles de la réponse d'un capteur de force placé à différentes distances du centre d'impact d'une goutte de 2mm de diamètre, comparées à la force résultant de l'impact (dans le sens normal à la plaque). Cela montre que pour des distances relativement proches, la quantité de mouvement dans le sens horizontal offre un potentiel important pour le décollement du liquide s'il est convenablement guidé.
Figure 41: Etalement et re-pulvérisation d'une goutte déposée sur une plaque lisse avec une aspérité élémentaire (marche de 0,03mm) 500, 800, 1000 et 1500µs après impact
Figure 42: Force d'impact du front d'étalement de gouttes fonction de la distance au centre de la goutte (diamètre initial ~2mm)
Pour ce qui concerne les effets de la température de parois, une série d'expériences a été menée sur des gouttes d'alcanes concernant l'évaporation et la pulvérisation des gouttes impactant des surfaces chaudes et comparée aux études menées sur des gouttes suspendues à des capillaires. La Figure 43 montre l'effet important du film vapeur créé lors de l'impact sur plaque chaude, conduisant au décollement du film liquide et une violente re-pulvérisation de gouttelettes de diamètre environ 10 fois inférieur à la goutte initiale.
Figure 43 : Images d'étalement et re-pulvérisation de gouttes d'heptane sur plaques chaudes
Les vitesses d'éjection des gouttes est relativement faible. Aussi, une partie des gouttes créées après impact reste à proximité de la plaque, à une distance inférieure à 10 fois le diamètre moyen des gouttes éjectées, ou de l'ordre du diamètre de la goutte initiale. Ces gouttes subissent le transfert convectif généré par la différence de température air/plaque et les rebonds successifs sur cette même plaque. Leur diamètre diminue lentement sous l'effet de l'évaporation et nous avons déterminé qu'il suit approximativement une loi en d2 (soit une décroissance du diamètre de la goutte en racine carré du temps) comme le montrent les figures suivantes. Nous avons montré que le taux d'évaporation moyen est très semblable à celui de gouttes suspendues et entourées de gaz à températures équivalentes. L'évaporation des gouttes à proximité de la plaque semble donc pilotée par la température de cette dernière.
Figure 44 : Evaporation des gouttes d'heptane à proximité de la plaque (d<10 fois le diamètre des gouttes)
Figure 45 : Evaporation des gouttes de décane à proximité de la plaque (d<10 fois le diamètre des gouttes)
Figure 46 : Tableau comparatif des taux d'évaporation de gouttes re-pulvérisées à proximité de la plaque et de gouttes suspendues à un capillaire en quartz.
Ces études sur les interactions gouttes parois réalisées dans des conditions de laboratoire ont permis ensuite d’orienter cette activité de recherche vers une application directe des techniques mises en jeu, dans le cadre de la décantation d’huile dans les moteurs automobiles.